【文章內(nèi)容簡介】 升溫單向性等特點的控制對象，很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)學模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到好的控制效果。 單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領域得到廣泛應用 。采用單片機進行爐溫控制可以提高控制質(zhì)量和自動化水平。 由于計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，高校的專業(yè)合并與滲透使工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、自動化、信息技術(shù)改造了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。機電一體化、數(shù)控、先進制造技術(shù)、 CIMS 之間的技術(shù)、專業(yè)、學科之間的界限越來越模糊，這是實際發(fā)展的需要，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 5 第二章 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng) 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成 電加熱爐廣泛用于冶金、石油化工、紡織印染等工業(yè)生產(chǎn)過程。因此對加熱爐溫度的控制是必不可少的。作為被控對象，電加熱爐具有 非線性、時變性、分布參數(shù)等特點。 要實現(xiàn)對加熱爐的控制，必須建立被控對象的數(shù)學模型，然后求取相應的控制器方程，例如自適應控制、隨機最優(yōu)控制、預測控制、解耦控制和變結(jié)構(gòu)控制等。這類控制方法由于數(shù)學工具深奧，算法復雜，現(xiàn)場工程師難以理解和接受，因而這些先進控制算法的推廣受到制約。人們在實踐中知道，許多復雜的生產(chǎn)過程難以實現(xiàn)目標控制，但是熟練的操作工、技術(shù)人員和專家操作自如，而不要建立什么數(shù)學模型，就可以得到比較滿意的控制效果。設想把這些專家的經(jīng)驗和知識總結(jié)起來賦予計算機，讓計算機參與生產(chǎn)過程控制，這類系統(tǒng)一般稱 為智能控制系統(tǒng)，它包含專家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制。本文就沒有建立電加熱爐的數(shù)學模型，而是在設計出加熱爐硬件原理圖的基礎上，直接采用算法簡單、效果好的 PID 智能控制算法。 其系統(tǒng)框圖如圖 所示 。 調(diào) 節(jié) 器 調(diào) 節(jié) 閥 電 加 熱 爐溫 度 變 送 器設 定 值Teu圖 智能溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 A / D 轉(zhuǎn) 換電加熱爐溫 度 變 送 器D / A 轉(zhuǎn) 換單片機S C R 調(diào) 功 器L E D 顯 示鍵 盤上 下 限 報 警圖 電加熱爐溫度智能控制系統(tǒng)硬件連接框圖 電加熱爐爐膛溫度是由多組爐絲的供電能量來調(diào)節(jié)的，它們分別由多套晶閘內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 6 管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過零 觸發(fā)器的給定電壓來調(diào)節(jié)。為了控制爐溫，設計了一套電加熱爐計算機控制系統(tǒng)，如圖 所示。 該系統(tǒng)以單片機為核心，包括 A/D 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路、 LED 顯示電路、 D/A轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成。 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的原理 電加熱爐計算機控制系統(tǒng)是一多輸入、多輸出的多變量系統(tǒng)，但本次設計僅以一組為例，即輸入信號有八組，經(jīng)過放大后再經(jīng)過多路選擇，之后在經(jīng)控制電路處理。電加熱爐爐溫的控制過程如下：測溫元件將檢測到的溫度信號經(jīng)過放大、隔斷處理后，在某一時刻被選擇的信號送到 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機 ，單片機對 A/D 結(jié)果處理（包括冷端補償計算），得出加熱爐溫度測量值， 一路信號經(jīng) 74LS164 驅(qū)動 LED 顯示， 一路信號 將溫度測量值與給定溫度值進行 PID運算（可 通過鍵盤調(diào)節(jié) PID 參數(shù) ），運算結(jié)果經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換，送給 SCR 調(diào)功器 來控制加熱爐的加熱過程。 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)設計 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩大部分。 硬件是整個設計的基礎。硬件包括檢測變換部分，輸入信號轉(zhuǎn)換部分，微處理部分，顯示部分，鍵盤部分及輸出信號轉(zhuǎn)換部分等。 溫度控制系統(tǒng)的軟件設計是整個控制系統(tǒng)設計的核心，硬件要在 軟件的配合下才能完成預先確定要實現(xiàn)的各種功能。硬件設計具有通用性，而軟件設計的大部分工作是針對某一特定對象，可以完成硬件不能完成的功能。軟件設計具有充分的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而變化。 單片機的智能功能要由軟件來完成，溫度控制系統(tǒng)軟件在程序設計時采用了模塊化設計方法，將控制器所要完成的功能分別編寫和調(diào)試，所有模塊調(diào)試成功以后，將各個模塊連接，構(gòu)成單片機軟件系統(tǒng)。這樣的設計有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于調(diào)試、維護和升級。整個系統(tǒng)由 3 部分組成：系統(tǒng)主程序、各功能子程序、中斷程序。系統(tǒng)主程序負責任務調(diào)度， 子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個子功能，中斷程序負責處理系統(tǒng)的中斷事件。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，順序執(zhí)行各子模塊程序，而中斷發(fā)生時或預定義的時間到時 (例如控制時間到 ) ，系統(tǒng)執(zhí)行中斷服務程序，處理完畢后程序回到中斷發(fā)生前的狀態(tài)，主程序繼續(xù)執(zhí)行。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 7 第三章 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的硬件設計 檢測變換部分 熱電偶測溫范圍廣、測量精度高、便于遠距離、多點、集中檢測和自動控制；需自由端溫度補償，在低溫段測量精度較低。 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是： 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中 間介質(zhì)的影響。 測量范圍廣。常用的熱電偶從 50~+1600℃均可持續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到 269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達 +2800℃（如鎢 錸）。 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。 [14] 熱電偶測溫基本原理 圖 熱電偶原理 將兩種不同材料的導體或半導體 A 和 B 焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，如圖 所示。當導體 A 和 B 的兩個執(zhí)著點 1 和 2 之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢 ,因而在 回路中形成一個大小的電流 ,這種現(xiàn)象稱為熱 電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。 熱電偶的種類及結(jié)構(gòu) 常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 8 測量。標準化熱電偶 我國從 1988 年 1 月 1 日起，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國際標準生產(chǎn)，并指定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。 為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；保護套管應能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。 熱電偶冷端溫度補償 由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度 t0≠ 0℃時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過 100℃。 溫度測量儀表的分類 溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來說接觸式測溫儀表比較簡單、可 靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(zhì)需要進行充分的熱交換， 需要一定的時間才能達到熱平衡，所 以存在測溫的延遲現(xiàn)象，同時受耐高溫材料的限制，不能應用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。 輸入信號轉(zhuǎn)換部分 從上面的介紹我們知道，本設計使用的是計算機控制，計算機只能接受數(shù)字信號，而熱電偶輸出的是模擬信號，所以必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就需要 A/D 轉(zhuǎn)換。 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)是現(xiàn)實各種模擬信號通向數(shù)字世界的橋梁，作為將模擬信號轉(zhuǎn)內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有以下幾種。 （ 1） 積分型轉(zhuǎn)換 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在低速、高精度測量領域有著廣泛的應用，特別是在數(shù)字儀表領域。積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)有單積分和雙積分兩種轉(zhuǎn)換方式，單積分模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理是將被轉(zhuǎn)換的電信號先變成一段時間間隔，然后再對時間間隔記數(shù)，從而間接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它的主要缺陷是轉(zhuǎn)換精度不高，主要受到斜坡電壓發(fā)生器、比較器精度以及時鐘脈沖穩(wěn)定性的影響。為了提高積分型轉(zhuǎn)換器在同樣條件下的轉(zhuǎn) 換精度，可采用雙積分型轉(zhuǎn)換方式，雙積分型轉(zhuǎn)換器通過對模擬輸入信號的兩次積分，部分抵消了由于斜坡發(fā)生器所產(chǎn)生的誤差，提高了轉(zhuǎn)換精度。雙積分型轉(zhuǎn)換方式的特點表現(xiàn)在：精度較高，可以達到 22 位；抗干擾能力強，由于積分電容的作用，能夠大幅抑止高頻噪聲。但是，它的轉(zhuǎn)換速度太慢，轉(zhuǎn)換精度隨轉(zhuǎn)換速率的增加而降低，每秒 100～ 300 次（ SPS）對應的轉(zhuǎn)換精度為 12 位。所以這種轉(zhuǎn)換方式主要應用在低速高精度的轉(zhuǎn)換領域。 （ 2） 逐次逼近型轉(zhuǎn)換 逐次逼近型轉(zhuǎn)換方式在當今的模數(shù)轉(zhuǎn)換領域有著廣泛的應用，它是按照二分搜索法的 原理，類似于天平稱物的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。也就是將需要進行轉(zhuǎn)換的模擬信號與已知的不同的參考電壓進行多次比較，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對應值。逐次逼近型轉(zhuǎn)換方式的特點是：轉(zhuǎn)換速度較高，可以達到 100 萬次 /秒（ MPSP）；在低于 12 位分辨率的情況下，電路實現(xiàn)上較其他轉(zhuǎn)換方式成本低；轉(zhuǎn)換時間確定。但這種轉(zhuǎn)換方式需要數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，由于高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路需要較高的電阻或電容匹配網(wǎng)絡，故精度不會很高。 （ 3） 并行轉(zhuǎn)換 并行轉(zhuǎn)換方式在所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)換速度最快，并行轉(zhuǎn)換是一種直接的模數(shù)轉(zhuǎn) 換方式。它大大減少了轉(zhuǎn)換過程的中間步驟，每一位數(shù)字代碼幾乎在同一時刻得到，因此，并行轉(zhuǎn)換又稱為閃爍型轉(zhuǎn)換方式。并行轉(zhuǎn)換的主要特點是它的轉(zhuǎn)換速度特別快，可達 50MPSP，特別適合高速轉(zhuǎn)換領域。缺點是分辨率不高，一般都在 10 位以下；精度較高時，功耗較大。這主要是受到了電路實現(xiàn)的影響，因為一個 N 位的并行轉(zhuǎn)換器，需要 2N－ 1 個比較器和分壓電阻，當 N＝ 10 時，比較器的數(shù)目就會超過 1000 個，精度越高，比較器的數(shù)目越多，制造越困難。 [12] 本設計采用逐次逼進式 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0832。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 ADC0832 芯片介紹 ADC0832 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 ADC0832 具有以下特點： 8 位分辨率； 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容 ； 5V電源供電時輸入電壓在 0~5V之間； 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為 32μS； 一般功耗僅為 15mW； 8P、 14P—DIP（雙列直插）、 PICC 多種封裝； 商用級芯片溫寬為 0176。C to~+70176。C，工業(yè)級芯片溫寬為。 40176。C ~85176。C； 芯片頂視圖：（ 圖 ） 圖 芯片頂視圖 芯片接口說明： CS_ 片選使能，低電平芯片使能。 CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/使用。 CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/使用。 GND 芯片參考 0 電位（地）。 DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 CLK 芯片時鐘輸入。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。 ADC0832 與單片機的接口電路 如圖 所示。 圖 與單片機 接 口電路 ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 單片機微處理部分 單片機要完成的任務是：接收 ADC0832 發(fā)出的數(shù)字量，進行標度變換，線性化， 進行 PID 運算 ，輸出數(shù)字量一路給 DAC0832 控制調(diào)功器，一路給 74LS164驅(qū)動顯示。市場上流行的單片機有很多種，基于各種因素，本次設計選用 STC89C51單片機。 STC89C51 系列單片機 是 宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗、的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機， 12 時鐘 /機器周期和 6 時鐘機器周期可任意選擇，最新的 D 版內(nèi)部集成 MAX810 專業(yè)復位電路。 STC89C51